北京交通大学+电力电子技术+第03章+相控整流电路.ppt

电力电子技术PowerElectronicsTechnology,Spring2006,电气工程学院陈洛忠Chenlzh51687064(o),第三章相控整流电路,内容和要求,内容：单相桥式、三相半波、三相桥式等整流电路结构、工作原理、主要电量波形分析和参数计算要求：理解和掌握电路波形分析和基本电量计算的方法重点：波形分析和不同负载对工况的影响形式：课堂讲授和实验结合,3.1概述,3.1.1整流电路的分类不可控整流电路-由不可控器件组成直流整流电压和交流电源电压的比值固定全控整流电路-由可控器件组成直流整流电压的平均值和极性可调半控整流电路-由不可控器件和可控器件组成负载电压平均值可调、极性不能改变,按电路结构桥式电路（又称全波电路或双拍电路）零式电路（又称半波电路或单拍电路）按输出电压脉波数单脉波电路双脉波电路三脉波电路多脉波电路,按控制方式相控式电路、斩控式电路按组成器件全控型电路、半控型电路,按工作范围单象限电路、多象限电路按电网相数单相电路、三相电路、多相电路,3.1.2可控整流电路的一般结构,主电路交流电源：工频电网或整流变压器滤波器：为保证电流连续负载：阻性负载、阻感负载、反电势负载等控制电路：模拟控制、数字控制,整流电路基本要求：直流电压调节范围宽、输出直流电流脉动小晶闸管元件导电时间尽量长、且正反向电压较低变压器利用率高、避免直流磁化交流侧功率因数高、谐波电流小整流电路理想条件：理想器件：晶闸管正向阻抗为零、反向阻抗为无穷大、整流变压器无漏感、无内阻和铁损理想电源：恒频恒压、对称无畸变的三相正弦波电源,本章分析方法要点及数学基础,1、分析方法要点根据SCR的导通/关断条件，确定其导通时刻、关断时刻，绘出整流输出电压和电流波形，由此可进一步绘出有关器件上的电压和电流波形应用电工基础中的平均值、有效值概念，推导出上述波形随控制角变化的数学表达式,2、数学基础（1）平均值和有效值计算设f(t)为电压或电流实时表达式，则f(t)在、期间的平均值和有效值分别为：,（2）功率因数计算其中：P负载功率（电源输出的有功功率）S电源（变压器）的视在功率,变压器起隔离和电压变换的作用，其副边电压根据直流侧负载电压的大小决定负载电压始终与流过的电流成正比，且两者波形相同,其中：,3.2单相半波可控整流电路（SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier）,可控整流电路的基本概念,单相半波可控整流电路,控制角：从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通这一角度,导通角：晶闸管在一个周期内导通的电角度,移相：改变控制角的大小，即改变触发脉冲的出现时刻（相位）,移相控制：通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的控制方式,移相范围：控制角的允许调节范围,同步：触发脉冲信号和晶闸管电压（即电源电压）在频率和相位上的协调配合关系,换相（换流）：电流从含有变流元件的一个支路转移到另一个支路的过程,自然换相点：当电路中的可控元件全部由不可控元件代替时，各元件的导电转换点,仅在交流正半周输出电压，所以叫半波整流,单相输入，所以叫单相整流,输出电压可通过调节进行控制，所以叫可控整流,单相半波可控整流,整流电路的基本概念,控制角从晶闸管开始承受正压到被触发导通这一角度导通角晶闸管在一个周期内导通的电角度移相（phase-shift）改变控制角，即改变触发脉冲出现的相位移相控制（phase-shiftcontrol）通过移相可控制输出整流电压大小，这种改变控制角调节输出电压的控制方式，称为移相控制,移相范围：控制角的允许调节范围同步：触发脉冲信号和晶闸管电压（即电源电压）在频率和相位上保持一定的协调配合关系，以使整流输出电压稳定，称为同步换相（换流）：电流从含有变流元件的一个支路转移到另一个支路的过程自然换相点：当电路中的可控元件全部由不可控元件代替时，各元件的导电转换点,输出直流电压平均值Ud为,a=0时，晶闸管全导通，相当于二极管整流，输出电压最大，即a=时，整流输出为零移相范围为,单相半波可控整流电路,例题3-1,单相半波可控整流电路，电阻性负载。交流电源220伏，要求输出直流平均电压50伏，最大输出直流平均电流20安。计算（1）晶闸管的控制角，（2）电流有效值，（3）负载的功率因数，（4）选择晶闸管。,解：（1）控制角,（2）电流有效值,（3）功率因数,（4）晶闸管定额,UT=(23)1.414220=620930V,可选KP50-7型元件，电压等级7，即额定电压700伏、额定通态平均电流50安的器件,单相半波可控整流电路的特点：简单、易调整，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化实际上很少应用此种电路，分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念,习题24、25,思考和作业,习题31、32,3.3单相桥式全控整流电路,一、电阻负载（R负载）工作原理、波形分析,（1）T1和T4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断,（2）T2和T3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断,电量计算,输出平均电压Ud移相范围0180输出平均电流IdSCR平均电流IdT=Id/2,负载电压有效值U变压器副边绕组电流有效值I2流过晶闸管的电流有效值功率因数,SCR承受的最大正向电压SCR承受的最大反向电压,二、电感性负载（R、L负载）,工作原理、波形分析为便于讨论，假设电路处于稳态，id的平均值不变，且负载电感很大，id连续且波形近似为一水平线,u2过零变负时，因电感的作用，晶闸管T1和T4中仍流过电流id，并不关断,当t=+a，给T2和T3触发脉冲，因T2和T3本已承受正电压，故两管导通,T2和T3导通后，u2经T2和T3向T1和T4施加反压使T1和T4关断，T1和T4的电流迅速转到T2和T3，此过程称换相，亦称换流,输出平均电压Ud移相范围090输出平均电流Id,电量计算（R、L负载）,流过晶闸管的平均电流IdT=Id/2流过晶闸管的电流有效值变压器副边绕组电流有效值功率因数SCR承受的最大正、反向电压为,课堂思考,习题3-2可控整流电路纯电阻负载时，负载电阻上的平均电压和平均电流的乘积是否等于负载功率？大电感负载，当电流基本平直时，在负载电阻上的平均电压和平均电流的乘积是否等于负载功率？为什么？,工作原理、波形分析,三、反电势负载（E）,最小起始导电角,反电势负载电量计算,时,30的工作情况电压、电流波形断续各晶闸管导电时间=1500-，小于1200,1、030,输出电压平均值,2、30150,电量计算（R负载）,3、负载电流平均值：Id=Ud/R4、晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即5、晶闸管承受的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即6、移相范围：=0150,二、阻感性负载（R、L）,假定电感很大，id平直工作原理、波形分析1、30，相对大电感负载ud中负的部分减少，Ud略为增加，Ud/U2与的关系将介于曲线1和2之间,Ud/U2关系,优点（与单项相比）输出电压脉动小输出功率大三相负载平衡缺点变压器副边电流含有直流分量，容易导致直流磁化，引起附加损耗变压器利用率低（每相绕阻的最长导电时间只有三分之一周期）零线上通过较大的负载电流应用场合：中等偏小功率的设备上,三相半波可控整流电路的优缺点,思考和作业,习题34、316、317,3.5三相桥式全控整流电路,结构：共阴极三相半波+共阳极三相半波,共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（T1，T3，T5）,共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管(T4，T6，T2),导通顺序：T6、T1T1、T2T2、T3T3、T4T4、T5T5、T6,一、三相桥式全控整流电路（R、L）,假定电感很大，id平直工作原理、波形分析1、=0,移相范围090,2、=303、=60,4、=90,三相桥式全控整流电路要点,1、一周期内ud脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路,2、需要两个管同时导通才能形成供电回路，共阴极组和共阳极组各一个，且不能为同一相器件。电流连续时每个器件导通1203、变压器副边流过正负电流，无直流磁化；电流连续时变压器副边各相绕组每个周期工作240，利用率高,4、对触发脉冲的要求：按T1-T2-T3-T4-T5-T6的顺序触发，相位依次差60共阴极组T1、T3、T5的脉冲依次差120，共阳极组T4、T6、T2也依次相差120同一相的上下两个桥臂，即T1与T4，T3与T6，T5与T2，脉冲相差180,三相桥式全控整流电路的触发要求,本组内SCR每隔120换流一次共阴极与共阳极组的换流点相隔60SCR的导通顺序：(6-1)(1-2)(2-3)(3-4)(4-5)(5-6)自然换相点为相电压（或线电压）的交点,5、为确保电路正常工作，要求同时导通的两个晶闸管均有脉冲，否则在电路合闸起动过程中或电流断续时，电路将不能正常工作,可采用两种方法使2个晶闸管均有脉冲：（1）宽脉冲触发（2）双窄脉冲触发（常用）,图（a）变压器副边三相电压波形图（b）宽脉冲触发（脉宽60)图（c）双窄脉冲触发,整流电压Ud变压器副边电流有效值I2,电量计算（R、L负载）,SCR电流有效值IT,二、三相桥式全控整流电路（R负载）,工作原理、波形分析（a）=60（b）60120,移相范围0120,整流电压Ud06060120,电量计算（R负载）,三、三相桥式全控整流电路（反电势负载）,三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：,式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值,六脉波电路，输出电压脉动更小变压器绕组无直流磁势变压器绕组在正负半周都工作，效率高,三相桥式全控整流电路的优点,例题3-3,图例3-3的三相桥式整流电路，三相电压对称，设滤波电抗非常大，输出电流连续，若快速熔断器F1熔断，不计交流电源的内阻抗，试绘出输出电压ud的波形，并写出电流Id的计算式。,解：（1）故障条件下输出波形如图例3-3（b）所示。（2）设整流器交流侧相电压为U2，将故障下输出波形和三相桥式整流电路在正常运行情况下和时的输出波形相比较可知，输出由四个时的波头和两个时的波头组成，因此计算可以简化为：,3.6三相桥式半控整流电路,主电路结构由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而成,移相范围0180,一、电阻性负载（R负载）,1、=30,波形分析,2、=120,电量计算1、整流电压Ud输出电压为不可控三相半波电路输出电压与可控的三相半波电路输出电压之和2、移相范围0180,二、电感性负载（R、L负载）,1、60,波形分析,2、60180,电量计算整流电压Ud同电阻性负载输出电压为不可控半波电路输出电压与可控的三相半波电路输出电压之和,SCR电流的有效值IT、整流管电流有效值ID,SCR电流的平均值IdD、整流管电流平均值IdT,变压器副边绕组电流有效值I260,60180,三、三相桥式半控整流的失控现象,当处于关断状态晶闸管的触发脉冲突然丢失或控制角突然增大到180时，处于导通状态的晶闸管将不能正常关断、失去控制作用失控现象。避免方法：加续流二极管,例题3-4,图例3-4的三相半控桥整流电路，已知三相电源对称，滤波电感Ld充分大，负载电流id近似平直。UAB=380V，R=2，UC=40V，=90，试：,（1）绘出负载电压ud、交流侧电流iA的波形（2）求负载电压平均值Ud、负载电流平均值Id（3）求电源侧的功率因数,解：（1）反电势阻感负载在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与大电感负载时相似，负载电压ud、交流侧电流iA的波形如图例3-4（b）所示,（3）,（2）,课堂思考,3、下列概念正确的在括号中画“”：在整流电路中，负载电流越大，换相重叠角越小。在整流电路中，输入电压越高，换相重叠角越小。在整流电路中，输入变压器漏抗越大，换相重叠角越小。在大电感负载整流电路中，换相压降与相控角有关。在大电感负载整流电路中，换相重叠角与相控角有关。,2、可控整流电路，电阻性负载，当一定Id时，流过晶闸管的电流有效值IT随控制角的增大而。,1、下列可控整流电路中，输出电压谐波含量最少的是。a.三相半波b.三相桥式c.单相半波d.单相桥式,3.7整流器交流侧电抗对换流(相)的影响,考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，该漏感可用一个集中的电感LB表示假设大电感负载，负载电流连续且平直一、换相过程分析（以三相半波为例）,1、T1换相至T2的过程：,因a、b两相均有漏感,ia、ib均不能突变,当ik增大到等于id时，ia=0，T1关断,换流结束,T1和T2同时导通，相当于将a、b两相短路，在两相组成的回路中产生环流ik，ib=ik是逐渐增大的，而ia=Id-ik是逐渐减小,考虑变压器漏感时的三相半波可控整流电路及波形,换相重叠角：换相过程所需的时间,T1换相至T2的过程,3.4整流器交流侧电抗的影响,原因变压器存在一定的漏电感交流回路存在一定的电感结果出现重迭导通现象（两条支路同时导电）简化考虑把所有交流侧的电感都折算到变压器副边，用集中电感LB表示,2、相关概念（术语）换相过程：一相晶闸管电流从id0，另一相晶闸管电流从0id的过程换相重叠角：换相过程所对应的相角换相电压：换相过程中两相间电位差瞬时值uba=ub-ua3、换相电压的作用：强制导通元件中的电流下降为零保证退出导通的元件恢复阻断能力,4、换相重迭对输出电压波形的影响换相过程：整流电压的瞬时值影响：与=0时相比，产生了换相压降Ud，使Ud减小,二、换相压降的计算,对于单相全控桥，环流ik是从0变为2Id，所以必须用2Id代替Id整流输出电压的平均值,符号定义m输出电压在一个周期的波头数。xB整流电路交流侧每相电抗值（主要是变压器漏抗）U2变压器二次绕组额定相电压I2变压器二次绕组额定相电流（星接）uK%变压器的短路电压比,三、考虑时的整流器输出特性,输出电压的平均值Ud整流电路的输出特性如右图所示,四、换相重叠角的计算,m输出电压在一个周期内的波头数对于单相全控桥，环流ik是从0变为2Id，所以必须用2Id代替Id对于三相全控桥，它相当于相电压为的6脉波整流电路，所以必须用线电压（即）代替,各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算,注：单相全控桥电路中，环流ik是从0变为2Id三相桥等效为相电压等于的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按代入,整流输出电压的平均值,五、变压器漏感对整流电路影响的结论,出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低使整流电路的功率因数降低换相使电网电压出现缺口，使电网电压发生畸变晶闸管的di/dt减小，有利于晶闸管的安全开通，有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。,例题3-5,图例3-5的单相桥式整流电路，已知电源电压U2=220V，交流侧电抗为XB，假设滤波电抗Xd非常大，以至于输出电流id连续而平直。当id=Id时，重叠角1=300，如改变负载电阻R，使id=2Id，试（1）计算此时的重叠角2和输出电压平均值Ud；（2）绘出电流iD1、iD2和电压ud的波形。,解：（1）将m相半波可控整流电路计算重叠角的公式用于本题，可得：,取m=2,且应注意到，对于单相桥式电路，每次换流交流侧电流变化量为2倍的稳态电流，因此，据题意可列出方程组如下：,即,（2）电流iD1、iD2和ud的波形示于图例3-5,例题3-6,三相全控桥式整流电路接大电感负载，对于4000KVA副边Y形连接的整流变压器，其短路比20%，副边线电压U2l=2000V，Id=1200A，=15，求装置的功率因数。,解：根据题中的参数，整流变压器副边额定线电流为：,根据短路比的定义：,因XB不可忽略，须考虑重叠造成的输出平均电压损失,该系统输出功率,变压器副边实际电流与负载有关，其值为,忽略变压器损耗，则输入的视在功率为,装置的功率因数为,单相桥式全控整流电路（R负载）,移相范围0180,本章小结,单相桥式全控整流电路（R、L负载）,移相范围090,本章小结,习题,3-1单相半波可控整流电路中，如晶闸管（1）不加触发脉冲，（2）内部短路，（3）内部断路，试分析元件两端与负载电压波形。3-2可控整流电路纯电阻负载时，负载电阻上的平均电压和平均电流的乘积是否等于负载功率？大电感负载，当电流基本平直时，在负载电阻上的平均电流的乘积是否等于负载功率？为什么？,3-8整流电路中续流二极管起什么作用？所有整流电路输出端都需加接续流二极管吗？3-11单相桥式全控整流电路，大电感负载，U2=110V，R=2，试计算当=300时，输出电压、电流平均值Ud和Id。如接续流二极管，Ud和Id又各为多少？绘出二种情况的电压、电流波形，两种情况电源侧的功率因数各为多少？3-14单相半控桥式电路，有续流二级管，对直流电机供电。平波电抗足够大，电源电压220V，控制角60，负载电流30A，计算晶闸管、整流管和续流管的电流平均值、有效值，交流侧电流有效值，容量和功率因数。,3-4如图所示电路中，US=110V，E=50V，R=2，L=，试按比例画出u0、i0、u